粘菌アメーバの時空間振動ダイナミクスを活用するバイオコンピュータの研究開発

2011 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 22700322
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 生体生命情報学
• 研究機関: 独立行政法人理化学研究所
• 研究代表者: 青野 真士 独立行政法人理化学研究所, 揺律機能研究チーム, 基幹研究所研究員 (00391839)
• 研究期間 (年度): 2010 – 2011
• キーワード: 自己組織化 / 創発 / ナチュラルコンピューティング / 最適化 / 意思決定 / 資源配分 / カオス / 複雑系

研究概要

単細胞生物・真性粘菌は、中枢神経系を持たないが、環境刺激情報の記憶、最適化問題解決等の高度な情報処理を実現する。こうした自律分散型情報処理は、自発的に伸縮する繊維状タンパク群が、時空間振動ダイナミクスを自己組織化することにより実現するものと考えられる。本研究では、粘菌の自発的挙動に応じて光刺激をフィードバックするシステムを構築することで、時空間ダイナミクスが情報処理機能を創発する機序を解析し、その過程を再現する数理モデルを導出した。さらに、粘菌に類似したダイナミクスをもつ、近接場光相互作用する量子ドット系を用い、最も難しい組合せ最適化問題の一つである充足可能性問題の解探索を実現するシステムのアイデアを具体化し、特許出願を実現した。

研究成果

• [雑誌論文] Performance enhancement of amoeba-based neurocomputer for 8-city traveling salesman problem (2011)
  • 著者名/発表者名: Masashi Aono, Liping Zhu, Song-Ju Kim, Masahiko Hara
  • 雑誌名: Proceedings of 2011 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications(NOLTA) ページ: 104-107
  • 査読あり
• [雑誌論文] Problem-size scalability of amoeba-based neurocomputer for traveling salesman problem (2011)
  • 著者名/発表者名: Liping Zhu, Masashi Aono, Song-Ju Kim, Masahiko Hara
  • 雑誌名: Proceedings of 2011 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications(NOLTA) ページ: 108-111
  • 査読あり
• [雑誌論文] Adaptive tug-of-war model for two-armed bandit problem, Proceedings of 2011 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (2011)
  • 著者名/発表者名: Song-Ju Kim, Etsushi Nameda, Masashi Aono, Masahiko Hara
  • 雑誌名: NOLTA ページ: 176-179
  • 査読あり
• [雑誌論文] Greedy versus social : Resource-competing oscillator network as a model of amoeba-based neurocomputer (2011)
  • 著者名/発表者名: Masashi Aono, Yoshito Hirata, Masahiko Hara, Kazuyuki Aihara
  • 雑誌名: Natural Computing10 ページ: 1219-1244
  • 査読あり
• [雑誌論文] Amoeba-based neurocomputing for 8-city traveling salesman problem (2011)
  • 著者名/発表者名: Masashi Aono, Liping Zhu, Masahiko Hara
  • 雑誌名: International Journal of Unconventional Computing 巻: 7(6) ページ: 463-480
  • 査読あり
• [雑誌論文] 粘菌ニューロコンピュータとその参照モデル:巡回セールスマン問題解決能力の問題サイズ依存性 (2011)
  • 著者名/発表者名: 青野真士,金成主, Liping Zhu,原正彦
  • 雑誌名: 電子情報通信学会,複雑コミュニケーションサイエンス研究会 ページ: 29-35
• [雑誌論文] 粘菌の意思決定を模した網引きモデル:正確で速い並列探索アルゴリズムの物理的実装に向けて (2011)
  • 著者名/発表者名: 金成主,青野真士,行田悦資,原正彦
  • 雑誌名: 電子情報通信学会,複雑コミュニケーションサイエンス研究会 ページ: 36-41
• [雑誌論文] 粘菌コンピュータと確率探索アルゴリズム (2011)
  • 著者名/発表者名: 青野真士,金成主, Liping Zhu,行田悦資,原正彦
  • 雑誌名: システム/制御/情報 巻: 第55巻第12号 ページ: 526-531
• [雑誌論文] 粘菌を組み込んだバイオコンピュータ (2010)
  • 著者名/発表者名: 青野真士,金成主,原正彦
  • 雑誌名: バイオサイエンスとインダストリー 巻: 68(5) ページ: 346-349
• [雑誌論文] 真性粘菌アメーバの時空間振動ダイナミクスによる自己組織的計算 (2010)
  • 著者名/発表者名: 青野真士
  • 雑誌名: 電気化学および工業物理化学 巻: 78(9) ページ: 779-782
• [学会発表] 粘菌コンピューティング:時空間振動ダイナミクスによるボトムアップ型資源配分最適化 (2012)
  • 著者名/発表者名: 青野真士
  • 学会等名: 情報処理学会,第151回DPS研究会
  • 発表場所: 那覇,沖縄県青年会館
  • 年月日: 2012-05-22
• [学会発表] 時空間振動ダイナミクスによる資源配分と意思決定の全体最適化 (2011)
  • 著者名/発表者名: 青野真士
  • 学会等名: 東京大学工学部,ナノフォトニクスオープンセミナー
  • 発表場所: 東京,日本
  • 年月日: 2011-11-17
• [学会発表] 粘菌コンピューティング:時空間相関ダイナミクスを活用した資源配分の全体最適化 (2011)
  • 著者名/発表者名: 青野真士
  • 学会等名: 第2回複雑コミュニケーションサイエンス研究会
  • 発表場所: 宮古島,日本
  • 年月日: 2011-11-11
• [学会発表] Performance enhancement of amoeba-based neurocomputer for 8-city traveling salesman problem (2011)
  • 著者名/発表者名: Masashi Aono
  • 学会等名: International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications(NOLTA)
  • 発表場所: 神戸,日本
  • 年月日: 2011-09-05
• [学会発表] Amoeba-based neurocomputing and resource-competing oscillator networks (2011)
  • 著者名/発表者名: Masashi Aono
  • 学会等名: SIAM Conference on Applications of Dynamical Systems(2011)
  • 発表場所: Snowbird, Utah, USA
  • 年月日: 2011-05-24
• [学会発表] 粘菌コンピュータから見えてきたもの (2011)
  • 著者名/発表者名: 青野真士
  • 学会等名: 理化学研究所社会知創成中村特別研究室+揺律機能研究チーム連携ワークショップ「生物を律する揺らぎのメカニズムを追い求めて」
  • 発表場所: 和光,日本
  • 年月日: 2011-04-20
• [学会発表] Amoeba-based chaotic neurocomputing : Spatiotemporally-correlated search dynamics for optimization problems (2011)
  • 著者名/発表者名: Masashi Aono
  • 学会等名: 3rd International Conference on Chaos Revolution in Science, Technology, and Society(ICR2011)
  • 発表場所: University of Indonesia, Depok City, Indonesia
  • 年月日: 2011-02-22
• [学会発表] Amoeba-based neurocomputing : Spatio-temporal dynamics for overall optimization in resource allocation and decision making (2010)
  • 著者名/発表者名: Masashi Aono
  • 学会等名: 34th Mathematical Sciences based on Modeling, Analysis and Simulation Seminar, Meiji University Global COE Program
  • 発表場所: Meiji University, Ikuta, Kanagawa, Japan
  • 年月日: 2010-12-20
• [学会発表] 真正粘菌コンピュータと資源総量保存型振動子ネットワークによる並列探索 (2010)
  • 著者名/発表者名: 青野真士
  • 学会等名: 屋久島非線形問題若手ワークショップ～非線形科学と情報通信科学のフロンティア開拓～
  • 発表場所: 環境文化研修センター,屋久島,鹿児島,日本
  • 年月日: 2010-11-06
• [学会発表] 真性粘菌コンピューティング (2010)
  • 著者名/発表者名: 青野真士
  • 学会等名: 分子ロボティクス研究会7月定例会
  • 発表場所: Campus Innovation Center,田町,東京,日本
  • 年月日: 2010-07-30
• [学会発表] Scalability of amoeba-based neurocomputer for traveling salesman problem (2010)
  • 著者名/発表者名: Masashi Aono, Song-Ju Kim, Yoshito Hirata, Masahiko Hara, Kazuyuki Aihara
  • 学会等名: 1st International Workshop on Computing with Spatiotemporal Dynamics
  • 発表場所: The University of Tokyo, Hongo, Tokyo, Japan
  • 年月日: 2010-06-23
• [備考]
  • URL: http://arn.local.frs.riken.jp/～aono/index-j.html
• [備考] 学会運営活動1.国際研究会Information Physics and Computing in Nano-scale Photonics and Materials 2012,オルレアン,フランス, 2012年9月:プログラム委員
  • URL: http://www.youtube.com/user/MasashiAONO/videos
• [備考] 2.電子情報通信学会複雑コミュニケーションサイエンス時限研究専門委員会:幹事補佐学会運営活動
• [産業財産権] 量子ドットによる解探索システム (2012)
  • 発明者名: 青野真士,金成主,原正彦,成瀬誠,川添忠,大津元一
  • 権利者名: 理化学研究所
  • 産業財産権番号: 特願2012-116725
  • 出願年月日: 2012-05-22
  • 外国